淺談超高清演播室LED光源顯色性測試方法

馬文龍，張海東，史 蕾

（深圳廣播電影電視集團，廣東 深圳 518055）

近年來，超高清電視制作快速發展，4K在各大電視媒體得到普及，8K也開始小范圍應用實踐。超高清具有高分辨率、高動態范圍、寬色域等特點，這些技術性發展對演播室燈具的選擇、布光、調光提出新的要求。本文主要從超高清的寬色域、超高清演播室LED光源顯色性測試方法等方面進行探討。

1 超高清圖像寬色域

色域（Color Gamut）是指某種設備所能表達的顏色數量所構成的范圍區域。超高清的色域從BT.709（高清色域范圍標準）到BT.2020（4K色域范圍標準）（圖1①），Rec.2020覆蓋了75.8%的CIE 1931色彩空間，Rec.709色域所占面積僅僅覆蓋了35.9%（圖2）。因此，超高清圖像色彩層次更豐富，色彩飽和度更好。這些色域的變化相應要求電視光源色彩還原自然、逼真、純正。

圖2 UHD TV VS HD TV色域

2 色彩還原與光譜

圖像畫面色彩還原的好壞，由演播室光源的光譜決定。光源光譜分為連續性光譜（或叫全光譜）和非連續性光譜。連續性光譜可以提供較佳的顯色品質，色彩還原較好；非連續性光譜，光譜中某種色譜很少或缺失，顯色性較差，色彩還原會偏色或失色。例如，晚上街道照明的LED燈，光很亮也很白，但人臉看起來很灰、不透，說明它的顯色性差，一定是非連續性光譜。再比如，演播室的鎢絲燈照射下，光看上去偏紅偏黃，經攝像機校正白平衡后，被攝景物的顏色卻還原比較真實、自然，這說明鎢絲燈看起來發黃，但顯色性很好，它的光譜就是連續性光譜。圖3～圖8是不同光源的光譜。

圖3 日光光譜

圖8 R+G+B LED光譜

圖4 鎢絲燈光譜

圖5 三基色燈光譜

圖6 鏑燈光譜

圖7 藍色LED+熒光粉光譜

3 如何選擇高顯色性的LED白光燈

白光LED作為新型光源，因其發光效率高、耗能低、發熱低等原因，目前普遍應用在電視演播室。但白光LED是非連續性光譜，為了使光譜平坦，燈光廠家會相應加入缺少色彩的熒光粉來改善，但有些還是會彌補不到位。如何測量白光LED顯色性的高低？目前基本采用CRI（Color Rendering Index）標準的Ra+R9和光譜評價，但這種測試方法評價演播室LED光源的顯色性是否適當，是否適用于白光LED光源？以下介紹幾種測試方法，探討哪種方法準確度更高。

3.1 CRI標準（Ra、R9）——常規測試標準

CRI標準是（CIE，International Commission on Illumination，國際照明委員會）于1948年制定的顯色指數的測量方法。CRI是針對人眼確定的，它的測量值是由規定的14個顏色樣品（中國又加入一種亞洲婦女膚色）在標準光源和待測光源照射時產生的色差，計算出每個樣品的顯色指數。顏色樣品都選自孟塞爾顏色體系，圖9所示為15個CRI顏色樣品。

圖9 15個CRI顏色樣品（根據測試設備色標自己繪制）

綜合顯色指數Ra（R1～R8）是前8個特殊顯色指數的平均值，這8個顏色都是三原色的混合色，具有中等飽和度及大致相同的明度。Ra值越大，顯色性越好，最高數值為100。

白光LED出現后，R9（飽和紅色）成為衡量白光LED顯色性的一個重要指標。超高清圖像需要真實再現皮膚顏色以及對蔬菜、花卉的紅色的還原，R9色品質量具有不可取代的作用。

3.2 CQS（Qa）修正CRI

CRI測試標準有著很長的歷史，用它來評價新型光源LED白光燈時，存在色空間不均勻、采樣色品少、飽和度過低等問題。NIST（National Institute of Standards and Technology，美國國家標準與技術研究所）給出一種新的方法——色質指數（CQS，Color Quality Scale）。

與CRI類似，CQS也采用測驗色法。CRI選色樣品相對都是非飽和色，這樣測驗可能會掩蓋光源對飽和度更高顏色的顯色性問題。CQS選取15個飽和色，都選自孟塞爾顏色體系，圖10所示為15個CQS顏色樣品。

圖10 15個CQS顏色樣品（根據測試設備色標自己繪制）

Qa是15個顏色樣品數據的均方根值，即將n個值的平方和除以n后再開方的結果，取算術平均值之前，先對每個數據進行開方。公式如下：

Qi是被測光源與參考光源照射同一套標準色樣的色差，i取1～15。

這樣一來，即使在色樣間存在一些色差，也不會對最終結果產生較大的影響。Qf（fidelity）完全依照顯色性的顏色還原性這一定義，未剔除此類色差，Qp（preference）則從偏好度角度考慮。因此，三個CQS值不盡相同。圖11是用光譜輻射計測試評估數據分析的軟件界面。

圖11 光譜輻射計測試評估數據分析

3.3 TLCI標準——數字攝像機拍攝、標準監視器測試

前英國廣播公司BBC的工程師、光學專家羅伯特（AlanRoberts）先生與歐洲廣播聯盟（EBU，European Broadcasting Union）合作，于2011年提出電視光源一致性參數（TLCI，Television Lighting Consistency Index）,命名為TLCI-2012。它是通過光譜輻射測試儀對被測光源的光譜能量分布進行測試，然后用分析軟件計算，得到TLCI的測試結果。

TLCI評測標準是由一張色彩對比圖標顯示比對結果確定的，測試卡有24色，測試的結果基于每個標準對比色塊在標準光源（標準光源是指色度和色溫都落在普朗克曲線的光源）的照射下，由電視攝像機輸出端畫面得到的色彩表現。這個色彩表現是指在一個標準的一級高清電視監視器上可以看到的色彩表現。圖12是光譜輻射計測試光源的分析軟件界面。

圖12 光譜輻射計測試評估數據分析

3.4 TM-30-15標準——保真度指數（Rf）和色域指數（Rg）兩個維度測試

北美照明工程學會（IES，Illumination Engineering Society）下屬的顏色委員會，在2015年提出新的光源顯色評價方法——TM-30-15。

TM-30-15采用99個標準色測試，這99色不是選自孟塞爾顏色體系，而是從自然界105 000個物體的顏色中仔細選取，代表生活中常見的各種顏色（從飽和到不飽和、從亮到暗），圖13還原99個色品的選取。

圖13 99個色品的選取（來源于2015年DOE+IES研討會）

TM-30-15提供兩個測量結果。第一個度量指數是保真度指數（Fidelity Index）Rf，Rf與CRI所測的Ra相似，但不等同。Rf是一個表明保真度0～100的數值，反映被測光源比較參照標準光源對人眼所呈現的顯色效果。第二個度量指數是色域指數Rg，它提供一種被測試光源相對于參照光源所做的色域測量值，用于評價被不正確呈現的顏色是過飽和還是欠飽和。Rg為100表示顯示正確，大于100表示過飽和，低于100則表示欠飽和。

此技術規范通過客觀統計的方法，通過量化色度（接近參照點）和色飽和度（濃度的遞增或減少），描述光源顯色性的測量。通過產生的顏色坐標圖，顯示色彩和濃度變化的平均值。

標準提供了Rf和Rg的計算公式，包括99個色品的光譜反射率計算函數，通過一個軟件工具輔助計算和顯示結果。圖14為分光輻射照度計測試的界面。

圖14 分光輻射照度計測試數據分析表

Rf計算公式如下：

Rg計算公式如下：

4 結語

超高清電視制作圖像要求色彩還原自然，人物膚色正常、舒服，色彩飽和度好。目前大量選用的白光LED燈具還存在一些光“質”問題，如何客觀量化、評價，采用哪種測量標準為依據來驗證和考量，還需要業內人士進一步探討、思考和研究。

注釋：

①圖1及圖2來源于王亞明2018年5月的講座《HDR制作、轉換與播出》。